国内盐穴储气库建库关键技术研究进展

孙军治，陈加松，井 岗，杨普国，王一单,孟 君

(国家管网集团西气东输分公司，上海 200122)

地下储气库是天然气管输系统的重要基础设施，承担着天然气应急调峰和战略储备的重要任务。地下储气库的发展和进步，不仅能够减轻天然气管输的压力，还能够解决天然气供应夏季产能过剩、冬季供不应求的主要矛盾[1]。近年来，随着中俄东线、川气东送、西气东输西三线等多个大型工程的开工建设，储气库的建设也加快了步伐，尤其是在西北、华北地区，先后建设了多个大型油气藏型地下储气库。我国长三角、中南以及东南沿海地区作为主要的天然气消费市场虽然油气资源匮乏，但是岩盐资源丰富，非常适合建设盐穴储气库。盐穴储气库是利用地下盐丘或盐层，通过钻井等技术手段，水溶盐岩形成腔体。其具有注采速度快，吞吐量大，垫底气少且能回收利用等优点。这主要得益于盐岩的低渗透性、良好的蠕变性和自修复能力[2]。然而，我国盐矿大都是陆相湖泊层状沉积而来，具有夹层多，盐层薄的特点，非常不利于建库。近年来，国内学者针对我国盐穴储气库建库特点，从选址评价技术、老腔改造技术、造腔模拟技术几个方面展开研究。文章对最近几年国内文献进行调研，总结归纳了盐穴储气库建库关键技术的研究进展与发展方向，旨在为我国盐穴储气库建设发展提供借鉴作用。

1 选址评价技术

1.1 选址评价原则

库址筛选是地下盐穴储气库建库流程的第一步，选择满足建库条件的库址是成功建设地下盐穴储气库的必要条件。目前，我国唯一建成投产的盐穴储气库是位于江苏常州的金坛储气库，金坛储气库在天然气管网季节性调峰中发挥着重要作用。然而，随着对天然气需求量的逐渐增大，仅依靠金坛储气库已经远远不够。利用综合选址评价技术以寻找新的适合建设地下盐穴储气库的目标区域是极其重要的。盐穴储气库选址评价的基本原则可分为地质条件、地表条件两个方面(表1)。

表1 地下盐穴储气库选址基本原则Tab.1 Basic principles for site selection of underground salt cavern gas storage

1.2 建库条件评价

根据盐穴储气库建库选址的基本原则，综合利用建库条件评价技术，才能筛选出有利于建库的目标区域。建库条件评价技术主要采用数据筛选、地震勘探、地质建模、数值和物理实验等方法，从盐矿地质构造、含盐层特征、盐层顶底地层的密闭性、稳定性、储气规模以及地表条件几个方面进行综合评价。如刘凯等[3]2013年从地表条件和地质特征等方面，分析了盐穴储气库建设的影响因素；郑雅丽等[4]2019年提出了盐穴储气库的选址筛选的原则，创建了建库条件评价体系。

1.2.1 地质构造评价

地质构造评价通过对目标区域的地震资料进行精细处理和解释，确认目标区域的地质构造形态，识别地层空间展布特征与断层分布特征。重点分析断层发育带位置、走向特征、断距大小以及其对密封性的影响[5]。值得注意的是，如果地震资料不满足盐穴储气库建库评价的精度，需要重新进行地震资料采集，以识别出5 m～10 m的小断层和微构造。最后优选出地质构造比较简单，起伏不大，盐岩厚度大，断层分布少的区域进行井位部署。

1.2.2 含盐层特征评价

含盐层特征是盐穴储气库建库选址的重要指标。我国盐矿不同于国外海相沉积，主要来源于陆相湖泊层状沉积，常呈现夹层多且厚，不溶物含量高，盐岩品味低的特点。这些特点直接导致了造腔速率低、溶腔不规则发展、不溶物膨胀占用储气空间，甚至造成造腔管柱堵塞等情况，严重制约了造腔工程的实施。因此，在建库选址阶段分析目标区域的含盐层特征，优选出利于建库的盐岩区至关重要。根据区域地质特征资料，采用层序划分方法，进行小层划分与对比，编制连井剖面图，结合地震解释成果，确定含盐层以及顶底面埋藏深度、厚度、夹层分布特征、含盐率以及综合氯化钠含量等信息。如垢艳侠等[6]2021年通过引入人工神经网络模型，对不同组分含量盐岩的溶蚀速率进行了分析，张博等[7]2021年提出将重构曲线定量识别法与BP神经网络反演相结合的方法，识别了平顶山地区的盐层厚度与盐岩品味。

1.2.3 密闭性及稳固性评价

在地下盐穴储气库建设和运行过程中，良好的盖夹层是保证密闭性和安全运行的基础。盖夹层的评价需要结合构造解释成果，通过对样品进行岩性分析、渗透率测试以及地应力测试等方法进行综合评价。储气库盖层要求具有良好的岩性，低渗透率，扩散能力弱，突破压差大等特性。盖层稳固性的评价一般通过临界深度法进行判定[8]。另外，盖层中有地下水与地面水系连通会增加天然气泄漏的风险，因此还应充分了解目标区域的水文地质特征[9]。对于盐岩夹层，为了保证良好的密封性，要求塑性要强，毛细管压力要高，渗透率要低，扩散能力要弱，夹层数量越少越好[10]。如张耀平等[11]2009年提出双重介质固气耦合模型的数值模拟方法，对盐穴储气库夹层的渗透性进行了分析。

1.2.4 储气规模

单个腔体的有效体积的估算可以利用腔体梨形的特点，将低槽、主体和顶部简化为上下圆锥和中圆台的计算。单腔储气量和工作气量的估算可以根据气体状态方程来计算[12]，计算的关键在于上下限压力的取值，上限压力的取值可参考国内外储气库经验、最小主应力测试以及稳定性评估的结果，下限压力参考管网的压力以及稳定性评估的结果。王建夫等[13]2021年提出一种排卤浓度测定，结合盐腔体积守恒原理的盐腔有效体积计算公式。

1.2.5 地表条件

根据国外储气库运行的经验，盐穴储气库运行过程有安全性事故出现的可能[14]，我国盐矿通常埋藏浅、夹层多、品味低，出现天然气泄漏和地表沉降的可能性更大。因此，在选址建库评价阶段，基于安全性的考虑是必不可少的。盐穴储气库应选择没有大型工厂、建筑物、居民生活区以及敏感带的区域建库，避免发生不可挽回的事故，危害生命财产安全。盐穴储气库是采用水溶解盐岩形成储气空间进行储存天然气的，充足的淡水源对于建造储气库是必不可少的，一般造腔需要盐穴设计体积7倍～10倍的淡水资源。同时，建库目标区域需要有一定能力对水溶造腔形成的卤水进行处理。盐穴储气库可以有效保障长输管道稳定运行，并且具备季节调峰功能。为了满足下游用户的稳定供气，盐穴储气库要建设在天然气用户集中、距离长输管道较近的地区，一般调峰半径为150 km，距离长输管道不应超过100 km。

2 采卤老腔改造技术

近年来，天然气消费量快速增长、调峰需求逐渐增大与盐穴储气库工作气量低、建库达产速度慢的矛盾逐渐凸显出来[15]。主要原因是盐穴储气库造腔时间成本较高，往往需要3 a～5 a才能形成腔体。事实上，建设盐穴储气库除了常规新钻井水溶造腔之外，还可以利用已有的采卤老腔改建。利用已有老腔改建储气库可以大大加快盐穴储气库投产速度、提升经济效益以及缓解卤水处理的压力。采卤老腔类型有单井单腔和连通对接井老腔(图1)。

图1 盐矿连通对接井示意图Fig.1 Schematic diagram of salt cavern connecting docking well

2.1 预选评价

采卤老腔的预选遵循以下原则：处于构造稳定区域，断层与裂缝发育较少；含盐层埋深适中，厚度较大，分布稳定，品味较高；盐岩盖层厚度大，岩性好，渗透率低；腔体具备一定体积，矿柱厚度满足要求；腔体密封性、稳定性均要满足要求；井口与周围建筑物具备一定安全距离，尽量靠近天然气管网和天然气消费市场[16]。

2.2 腔体评价

腔体形态和体积是决定采卤老腔有没有改造价值的重要评价指标。对于单井老腔，为了符合力学稳定性要求，腔体应该是近似球体、圆柱体、梨状体等几何形态。腔体体积应该大于8×104m3，腔体顶部盐层应该大于15 m，底部盐层大于5 m，不同腔体之间的矿柱厚度应该大于腔体直径的2.5倍[17]。对于连通对接老腔，近些年进行了大量研究。如杨海军等[18]2015年提出对声呐测腔仪器增加转向棒，测量出对接井中间的水平腔体；垢艳侠等[19]2019年采用声呐测腔和物质平衡法，结合老腔井眼轨迹，预测了连通对接老腔的腔体形态和体积，同时提出一种排出老腔残渣中卤水增加储气空间的方法；施锡林等[20]2020年总结了高杂质盐矿建库技术的研究进展，针对连通对接腔体形态探测难题，采用声呐与电法联合测腔、声呐与地震联合测腔两套物探探测技术，并给出了该技术造腔的具体流程以及风险防控措施。

2.3 密封性和稳定性评价

密封性是采卤老腔改建储气库的重要因素，通常采用饱和卤水试压的方法进行测试。试压前根据腔体情况和卤水资料确定试压压力，要求不超过套管鞋所处地层最小主应力的80%，还需将其折算为井口处压力。对于不确定最小主应力值的，可以按照经验压力梯度计算。测试过程中，为了保持压力恒定不变，需要不定期补充卤水，如果井口压力下降幅度随着注入卤水次数的增多而减小，最后保持稳定压力，说明试压合格。如周冬林等[21]2020年采用卤水试压法对云应、淮安地区老腔密封性进行测试，通过监测注入卤水量和井口压力变化计算漏失量。

2.4 井身结构改造

大部分采卤老井存在生产套管直径小，固井质量差、变形腐蚀严重等问题，不能满足储气库注采运行的要求，有必要对这些井身结构进行改造。老井改造遵循安全性、密封性、满足注采运行要求三个原则。根据金坛储气库对老腔井身结构改造的经验，单井老腔有三种不同改造工艺。第一种是直接将原有老井封堵，重新按照储气库标准钻一口新井；第二种是锻铣老井部分套管和水泥，进行封堵扩大井眼形成新井；第三种是直接进行全井套铣，扩大井眼下入大直径套管。对流井采卤老腔的改造有两种：一种是封堵原有2口老井，然后按照储气库标准新钻一口注采井，最后在通道中新钻一口排卤井[22]；第二种是在两口老井之间新钻一口新井，将排卤管柱下入到水平连通通道内，老井经改造合格后可用于注采气，通过两口老井注气，盐腔以及溶渣中的卤水从新钻井排卤管中排出。

2.5 气密性评价

气密性测试是检验采卤老腔改造成功与否的评判标准。基本原理是在生产套管和测试管柱的环空中注入氮气，直至气水界面稳定在套管鞋下5 m～10 m，使套管鞋处压力恒定，不断监测气水界面，记录压力、温度以及流量等参数，绘制气体泄漏曲线，根据气体泄漏曲线评价腔体气密性。测试过程中气水界面变化不超过1 m，或者气体泄漏曲线随着时间的推移泄漏量越来越小视为气密性合格。目前我国盐矿企业大多采用连通对接井开采的方式采卤制盐，并且连通对接老腔具有产能高、事故极少、服务年限长以及采收率高等优点。因此未来采卤老腔改造的研究方向必定是对于连通对接老井的改造。如石悦等[23]2021年总结了采卤老腔改建储气库的经验，并分析了连通对接老井对改造技术的适应性，确定了适合对接老腔改造的工艺技术。

采卤老腔改造是目前盐穴储气库建库的主要手段，经过多年的研究探索，单井老腔改造技术已经逐渐成熟，对流连通老井的改造还需要进一步加强研究。对流连通老井改造的核心问题在于如何确定腔体形态，目前提出的声呐测腔结合物质平衡法等方法都是基于预测盐腔形态的思路，难免会与真实的腔体形态产生偏差。因此，准确探明腔体形态，以便更好地进行后续的评价改造是目前需要解决的问题。

3 造腔技术

3.1 基本原理

盐穴型地下储气库的基本原理是采用水溶造腔的方式在地下溶解形成一个储气空间。以最常见的单井双管造腔为例，其工艺原理是通过钻井将生产套管下到盐层中，然后在生产套管内下入造腔内管和造腔外管。根据造腔设计参数，往井下注入淡水，水溶解盐岩形成卤水排出。同时在生产套管和造腔外管形成的环空中注入阻溶剂，控制腔体上溶速率，自下至上逐步溶解形成腔体。为了控制腔体形状，造腔过程中不断调整造腔内外管柱的相对位置，通过采出盐量和声呐测腔确定腔体形状，达到设计形状后开始注气排卤，卤水基本采完继续注气达到设计压力后关井，造腔完成。其中往造腔内管注入淡水，造腔外管排除卤水，称为正循环；往造腔外管注入淡水，造腔内管排除卤水，称为反循环(图2)。国内针对造腔技术的研究颇多，主要集中在参数优化、数值模拟、阻溶剂以及厚夹层垮塌几个方面。

图2 水溶造腔示意图Fig.2 Schematic diagram of water dissolving cavity

3.2 造腔参数优化

传统方法的水溶造腔所耗费时间长，经济成本高。因此，有必要对造腔工艺过程进行优化，改变造腔工艺参数，降低经济成本，提高造腔速率。近年来，通过室内实验、数值模拟以及生产试验等手段，众多学者围绕着提升造腔速率、控制腔体形态等方向进行了研究。如肖恩山等[24]2017年引入非线性规划理论，建立了多井水溶造腔工艺参数优化模型，简化地面工艺流程，减少地面设备设施维护保养成本，降低了单位造腔体积能耗；王建夫等[25]2020年结合现场数据，从注水循环方式、油垫提升高度、注水排量、造腔管距四个参数对造腔进行优化，有效地提升了造腔速度的扩大腔体体积；张敏等[26]2020年通过对平顶山、淮安、安宁、楚州四个地区的岩石进行水溶实验，分析其水溶特征及其对造腔过程中的影响，并且根据各个地区的岩性给出了水溶造腔过程中的对策；王元刚等[27]2020年结合金坛储气库造腔实例，研究了盐穴储气库水溶造腔过程中导致盐腔有效体积减小的因素，总结了井下异常情况和地面临井相互影响两大类因素，并给出了避免水溶造腔过程中出现有效体积减小的建议措施；徐贵春等[28]2020年分析了卤水中颗粒的沉降规律，研究了颗粒沉浮速度和卤水流速之间的关系，提出了改善卤水排量方法，有效地避免造腔管柱堵塞。

3.3 数值模拟

最大程度利用地下含盐层，尽可能造出空间大、形态稳定的腔体是水溶造腔的目标。因此，充分利用造腔模拟技术是至关重要的。造腔模拟技术最早由Jessen等[29-31]1964年提出，随后众多学者在此基础上进行完善补充，逐渐形成了较为成熟的水溶造腔模拟技术。造腔模拟技术分为物理模拟和数值模拟，其中物理模拟因为其成本较高，难以实现等特点目前研究较少，而数值模拟技术因为其是利用计算机资源进行计算，实现较为简单，受到了国内外学者的青睐。水溶造腔数值模拟技术大致可以分为四步[32](图3)：建立目标区域的地质模型；给定初始造腔参数和腔体设计目标；优化造腔参数；达到设计腔体目标，模拟完成。

图3 造腔模拟流程图Fig.3 Flow chart of cavity making simulation

目前造腔数值模拟总共有四种算法：纳维—斯托克斯方程、达西流、浮羽流、平衡法。国外造腔模拟主要是针对计算流体力学，实现更高精度的造腔技术。国内层状盐岩不溶物含量多，水溶机理复杂，因此不能照搬国外已有技术。国内主要关注含盐地层水溶机理等问题进行了深入探讨[33]。针对国内盐岩复杂岩性，造腔模拟技术应采用物理模拟和数值模拟相结合的方式，通过室内实验，不断优化数值模拟技术，提升造腔模拟精度。同时，发展定向井和水平井造腔模拟技术，以更好的适应国内盐穴储气库造腔地质特征。如陈涛等[34]2019年，王文权等[35]2020年分别通过物理实验的方法发展了水平井造腔模拟技术。

3.4 阻溶剂

在水溶造腔前中期，如果上溶速度过快，会影响腔体形状，使腔体达不到设计体积。为了更好地控制腔体形状，需要在造腔过程中注入阻溶剂，防止腔体上溶。在盐穴储气库建设初期，一般采用柴油作为阻溶剂，安全性高，可以很好地控制油水界面。然而柴油成本较高且不环保，为了改善柴油阻溶的不足，国内外学者开始考虑用氮气作为阻溶剂[36]，如董建辉等[37]2009年采用氮气作为阻溶剂进行水溶造腔，对比分析了氮气和柴油作为阻溶剂的经济成本。肖恩山等[38]2020年研究了建槽期不同工矿对气水界面的影响，并计算了不同工矿下应补充氮气的体积。王建夫等[39]2021年通过改造地面工艺流程，改善注氮设备，提出气水界面监测技术，有效改善了氮气作为阻溶剂易泄漏，气水界面难控制等问题。经过多年的理论研究和现场试验，氮气阻溶造腔技术已经趋于成熟，在我国金坛储气库造腔应用中取得了不错的效果。近年来，有学者提出使用天然气作为阻溶剂，天然气直接来源于管道，又可重新回采入管道，经济成本较低。如何俊等[40]2020年等提出一种快速造腔技术，在造腔的同时注入天然气，利用天然气作为阻溶剂，有效缩短了造腔周期。

3.5 厚夹层垮塌

我国盐岩矿床中常存在较厚夹层，如硬石膏层、钙芒硝层、泥岩层等，这些厚夹层给水溶造腔带来巨大挑战。厚夹层的存在会影响腔体中卤水正常流速，从而降低盐岩溶蚀的速度，并且不利于腔体形状的控制。另外，造腔过程中，厚夹层突然垮塌会造成造腔管柱受损、套管被卡等工程事故。国内外学者从厚夹层的水溶特性、力学性质以及对腔体稳定性的影响等方面进行了深入探讨[41-43]。如郑雅丽等[44]2017年研究了夹层的水溶机理，水浸力学参数变化规律，通过研究夹层的不同参数对垮塌的影响，建立厚夹层垮塌临界跨度数学模型，对夹层垮塌进行预测，进行造腔扩大储气空间可行性分析，并且通过实验验证；齐得山等[45]2020年针对淮安地区通过设计造腔方案，有效处理了造腔过程中厚夹层问题；垢艳侠等[46]2020年提出单井双腔造腔方案，并且通过造腔模拟验证了该方案的可行性，该方案能够扩大盐岩利用率，提高经济效益。

造腔技术的研究一直是盐穴储气库建库技术的热点，然而目前还存在一些问题：氮气造腔理论研究已经相对成熟，下一步应重点关注实际应用效果；盐岩夹层水溶特性的不同给造腔模拟技术带来了一定困难，相应的物理实验研究较少；厚夹层的力学性质以及对腔体稳定性影响的研究还需进一步深入。

4 结论

通过对国内盐穴储气库建库现状进行分析，针对存在的问题，从选址评价技术、采卤老腔改造技术、造腔技术等方面总结归纳了近些年国内盐穴储气库建库技术的研究进展。得出以下结论：

1)天然气消费量快速增长、调峰需求逐渐增大与盐穴储气库工作气量低、建库达产速度慢的矛盾是国内盐穴储气库现阶段的主要矛盾。

2)随着盐穴储气库的发展，国内盐穴储气库建库技术也日趋成熟，逐渐从单一简单化向复杂多元化转型，为我国天然气管网调峰供气提供重要保障。下一步应加强含盐目标层特征分析，造腔物理数值模拟，对流连通井腔体评价以及厚夹层垮塌等关键技术的研究。

3)目前国内盐穴储气库存在缺乏优质库址、建成投产少、对流老腔改造技术不成熟、造腔速度慢等问题，未来几年盐穴储气库的研究应针对这些问题，从选址评价、扩大储气空间、优化造腔参数以及对流连通井改造等几个方面进行攻关。